Les supercondensateurs apparaissent comme des alternatives aux batteries lithium-ion, offrant des densités de puissance plus élevées et des durées de vie plus longues (nombre de cycles où la capacité est maintenue). Un supercondensateur est comme un croisement entre une batterie (avec un stockage d'énergie élevé) et un condensateur ordinaire (avec une décharge à haute puissance).

Une nouvelle étude de la City University of Hong Kong publiée le 21 mars dans Nano Research Energy démontre les performances exceptionnelles d'un condensateur construit avec des composés MXene. Les MXènes sont des composés inorganiques bidimensionnels dont les grandes surfaces moléculaires pour le stockage d'énergie leur confèrent une conductivité et une capacité de stockage ultra-élevées.

Les supercondensateurs peuvent stocker beaucoup d'énergie dans un petit espace et la libérer à un courant élevé; par exemple, ils peuvent alimenter des mini-appareils tels que des appareils électroniques portables. Cependant, lorsqu'ils sont fabriqués avec des molécules organiques, les supercondensateurs risquent de prendre feu.

La nouvelle étude a exploré les supercondensateurs fabriqués avec des molécules inorganiques de MXène pour réduire le risque d'incendie. Au lieu du lithium plus cher, ils ont utilisé du potassium. L'ion potassium ou ion K est l'un des électrolytes les plus fréquemment utilisés pour permettre au courant électrique de circuler dans une batterie. Guojin Liang, auteur principal de l'article et chercheur du Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux, déclare qu'ils "ont étudié les supercondensateurs aqueux en utilisant les électrolytes à base d'eau intrinsèquement sûrs et se sont concentrés sur le stockage des ions K, qui est moins cher et plus abondant. dans la terre pour bénéficier d'applications sûres et peu coûteuses."

Les composés MXènes sont constitués de couches de plusieurs atomes d'épaisseur de métaux de transition, tels que des carbures métalliques, des nitrures ou des carbonitrures. Ils ont les propriétés électriques d'un transport d'électrons efficace à travers la couche conductrice de carbure métallique, ainsi qu'une surface métallique idéale pour les réactions redox (transfert d'électrons).

Parmi les divers MXenes, cette étude en a sélectionné trois pour la comparaison des performances. "En comparant horizontalement les performances de stockage des ions K de trois espèces représentatives de MXene, nous voulons comprendre la relation entre la structure et leurs performances de stockage des ions K", explique l'auteur principal Xinliang Li, également du Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux. .

Les trois électrodes MXene ou conducteurs électriques—Nb₂ C, Ti₂ C et Ti₃ C₂ - ont été étudiés pour leurs comportements électrochimiques, y compris la chimie de la façon dont les ions K ont été insérés dans les couches de MXene ainsi que la façon dont les ions ont adhéré aux surfaces métalliques. Les chercheurs ont évalué les supercondensateurs en termes de mécanisme de stockage, de capacité, de performances de débit et de performances cycliques.

Le condensateur K-ion avec le Nb₂ C MXene avait les performances les plus remarquables, avec la densité de puissance la plus élevée (quantité déchargée) de 2336 W/kg et une densité d'énergie (quantité stockée) de 24,6 Wh/kg. Alors que les batteries lithium-ion ont des densités d'énergie plus élevées que les condensateurs, leur densité de puissance n'est que de 250 à 340 W/kg. Un condensateur K-ion avec MXene peut donc décharger plus rapidement des ordres de grandeur de puissance. Le condensateur avec Nb₂ Le C MXene a conservé une capacité presque complète (94,6 %) après 30 000 cycles de décharge de 5 ampères/g d'électricité, contrairement aux 500 cycles environ qu'une batterie lithium-ion devrait durer.

Tous les matériaux MXene présentaient des comportements de supercondensateur - cinétique rapide et stockage durable des ions K - offrant de meilleures performances que les autres matériaux hôtes des ions K. Les résultats découlent de la structure stable du MXène lorsqu'il obtient et abandonne les ions potassium. Selon Liang, "Cela pourrait être attribué à la distance intrinsèquement grande entre les couches pour le transport des ions K et à la superbe stabilité structurelle du MXene, même soumis à un processus de potassiation/dépotassation à long terme."

Même si seulement trois électrodes MXene ont été étudiées, d'autres composés MXene peuvent avoir un grand potentiel pour servir d'électrodes hôtes d'ions K aqueux. Les chercheurs espèrent que leurs découvertes "attireront davantage l'attention sur d'autres électrodes MXene prometteuses pour le stockage durable des ions K".

Les chercheurs prévoient de continuer à expérimenter avec les électrodes MXene afin d'améliorer les performances pour des applications pratiques. "En ce qui concerne le condensateur K-ion, nous aimerions modifier et manipuler les espèces d'électrodes MXene pour une densité d'énergie plus élevée", explique le professeur Chunyi Zhi. Ils aspirent en fin de compte à affiner les condensateurs K-ion pour l'électronique portable et d'autres mini-appareils électriques, car ils sont très performants, sûrs et relativement bon marché. + Explorer plus loin

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